EP1500191B1 - Dispositif a ondes acoustiques d' interface en tantalate de li thium - Google Patents
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- H03H9/64—Filters using surface acoustic waves
Definitions
- the field of the invention is that of wave devices acoustic interface and especially that of filters, made at the interface two substrates made of Lithium Tantalate.
- the pitch of the electrodes composing the combs interdigities is often weak, of the order of a few hundred nanometers.
- conductive particles of very small dimensions present inside the housing can bypass a transducer and disrupt the normal operation of the device.
- acoustic wave interface devices allows to solve the various problems related to encapsulation. We use, in this case, no longer the propagation of acoustic waves on the surface of the substrate but at the interface between two substrates. This device makes it possible to obtain naturally a passivated component that does not require any further realization of cavity. On the other hand, the housing can be completely removed.
- patent FR 2 799 906 described filters using transducers at the interface between two piezoelectric materials identical.
- an interface acoustic wave device consists of two substrates S 1 and S 2 , at least one of which is piezoelectric, and an interface zone I located between these two substrates as indicated.
- the interface zone I is a structure that comprises at least electro-acoustic transduction devices E. Electrical interconnections coupled to said devices allow the transmission and transmission of signals.
- Interface waves can be used to realize passive components.
- any type of device obtained using of waves propagating on the surface of a crystal can be achieved using interface waves.
- a resonator by placing an interdigital transducer between two networks reflectors and then a filter by coupling resonators to each other by means of electrical or acoustic means.
- Phase-coded devices have specific transduction characterized by a distribution of electrodes such we know how to associate a particular code with a phase code component given.
- the devices that can be remotely interrogated by radio waves use this principle.
- the operation is as follows: a phase code is used to the emission of the wave, the wave is picked up by an antenna connected to the input of the phase code component; conventionally, the transducer converts the signal in mechanical wave. Said wave propagates to the tranducer of output where it is then reconverted into an electrical signal and re-emitted.
- the signal received is analyzed and the component that received and transformed the signal is as well identified.
- Interface wave devices can be used as remotely searchable devices, in particular for measure as the measurement of pressure, temperature or acceleration.
- FIGS. 3a and 3b represent the various parameters, and in particular the coupling coefficient K 2, depend strongly on the cutting angle of the piezoelectric crystal and on the direction of propagation. It is thus possible to obtain, according to the cutting angle for lithium tantalate, K 2 values varying between 0 and 7 as indicated in FIGS. 3a and 3b.
- FIG. 3a represents the variation of K 2 as a function of ( ⁇ , ⁇ ) at ⁇ zero
- FIG. 3b represents the variation of K 2 as a function of ( ⁇ , ⁇ ) at ⁇ zero.
- the discontinuities represent the areas within which there is no possible mode of propagation.
- the choice of the cutting angle is therefore fundamental.
- the variations of the acoustic characteristics as a function of this angle can not be determined simply, for example by considerations of the crystal structure. They are also very different from those obtained for free materials used for surface acoustic waves.
- the invention proposes, for its part, a selection of ranges of optimized cutting angles. Indeed, it gives precisely the tolerances on the cutting angles; the set of optimal cutting angles which, in the case of lithium tantalate, give the best possible characteristics, in particular the highest values of the parameter K 2 ; and finally the values of the main characteristics, making it possible to reach the expected performances.
- the thicknesses of the two substrates are large in front of the acoustic wavelength of use ( ⁇ ).
- ⁇ acoustic wavelength of use
- the acoustic waves remain confined within the two substrates, which prevents any possible disturbance from the outside.
- the thickness of the interface zone is, conversely, chosen low in front of this same acoustic wavelength of use so that the disturbances introduced by the specific mechanical characteristics of that zone are negligible.
- the interface zone is in the form a laminated structure comprising at least the transduction devices electro-acoustic and one or more layers of material dielectric.
- the main advantages of these layers are to facilitate either the wave propagation, ie the adhesion of the second substrate to the zone interface.
- the interface zone comprises only the electroacoustic transduction devices that are then etched on a the two surfaces of the substrates in contact, said interface zone being then reduced to an interface plane.
- all two substrates and the interface area once assembled is equivalent to a single substrate within which the transduction devices are located.
- the device can be used for all applications accessible to surface acoustic wave devices, especially as a passive component of resonator type or filter or line to delay or phase code device.
- the realization of the electrode combs is done either by a method says buried electrodes, either by a process called electrodes filed.
- the layer C it is possible to start by depositing the layer C, to realize in this layer openings at the locations electrodes, deposit the material of the electrodes on this layer and finally level out to obtain the previous result. If the thickness of the layer is small enough in front of the acoustic wavelength, the electro-acoustic characteristics of the set are only few changed.
- Additional layers of dielectric material can then be reported for technological or acoustic reasons for complete the interface area. These layers can notably facilitate the bonding between the two substrates.
- the final thickness of I must remain low in front of the acoustic wavelength of use if one wishes maintain the properties due to the cutting angles of the substrates.
- the second substrate which has also been cut from Lithium tantalate at the same cutting angle as the first substrate is then attached to said substrate at the end of the manufacturing process of electrodes.
- This assembly can be done either by molecular bonding or by anodic welding.
- the second substrate has the same crystalline orientation as the first.
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Description
- Le substrat S1 est piézoélectrique et S2 ne l'est pas. Dans ce cas, on choisit S2 en fonction de ses propriétés mécaniques de façon à faciliter la réalisation des composants. Par exemple, si S1 est du Niobate de Lithium ou du Tantalate de Lithium, S2 sera préférentiellement de la silice fondue ou du silicium mono cristallin.
- Les deux substrats sont tous deux piézoélectriques mais de
nature différente. On citera, par exemple, les associations
suivantes :
- Quartz - Niobate de Lithium
- Quartz - Tantalate de Lithium
- Tantalate de Lithium - Niobate de Lithium
- Les deux substrats sont de même nature mais de coupe
cristalline différente. La figure 2 représente, suivant les
conventions IEEE 1949 dans le repère orthonormé initial (X, Y,
Z) avec Z parallèle à l'axe optique du cristal, X défini par la
piézoélectricité du cristal et Y perpendiculaire à (X,Z) la
représentation géométrique du plan de coupe définie par deux
angles de rotation successifs ϕ et . ϕ correspond à une
première rotation autour de l'axe Z, le repère obtenu ainsi est
noté (X', Y', Z') avec Z' confondu avec Z, correspond à une
seconde rotation autour de l'axe X', le repère obtenu ainsi est
noté (X", Y", Z"), avec X" confondu avec X'. Dans ce repère
final, la direction de propagation des ondes acoustiques est
alors définie par un troisième angle ψ représentant une rotation
autour de l'axe Y". A titre d'exemple, avec ces conventions, les
valeurs des angles pour les coupes habituellement utilisées en
ondes de surface pour le quartz ST sont les suivantes :
- ϕ = 0°, = 42.75°, ψ = 0°.
- Enfin, les deux substrats peuvent être de même nature et de même coupe. On peut utiliser, par exemple, du quartz, du Niobate de Lithium ou du Tantalate de Lithium. Dans ce cas, en règle générale, l'assemblage se fera suivant la même orientation cristalline des deux substrats.
- La vitesse V de propagation de l'onde acoustique d'interface. Ce paramètre est important dans la mesure où pour une fréquence d'utilisation donnée F, il conditionne le pas P du réseau des dents des peignes d'électrodes proportionnel à V/F. Lorsque l'on travaille à haute fréquence, typiquement de l'ordre de quelques GHz, l'obtention de vitesses élevées permet de garder des pas suffisamment larges compatibles des technologies actuelles de gravure ;
- L'atténuation A ou perte d'insertion exprimée en dB par longueur d'onde acoustique, paramètre que l'on cherche, en général, à diminuer de façon à réduire les pertes d'insertion du dispositif ;
- Le coefficient CFT du premier ordre de la variation de fréquence en fonction de la température au voisinage de la température ambiante exprimé en ppm.C-1. La configuration du dispositif sera d'autant plus insensible aux variations thermiques que ce coefficient sera faible ;
- Le coefficient de couplage électromécanique K2 représentatif de la bande de fréquence relative maximale que l'on peut obtenir avec un dispositif et calculé comme le demi-écart relatif des vitesses des ondes de surface sur le substrat libre et le substrat métallisé. Ce coefficient est, de façon générale, le paramètre que l'on cherche à maximiser. K2 est un paramètre sans dimensions exprimé en pour cent.
- un premier substrat cristallin en Tantalate de Lithium (LiTaO3) ;
- un second substrat cristallin également en Tantalate de Lithium ;
- assemblés par une zone d'interface plane servant à la propagation des ondes acoustiques et comprenant au moins les dispositifs de transduction électroacoustiques ;
- des moyens d'interconnexion permettant de raccorder électriquement lesdits dispositifs de transduction ;
- les angles (ϕ, ) sont compris dans l'une des deux plages angulaires
suivantes appelées coupe (0, 0, 0)a et coupe (60, 0, 0)a :
- coupe (0, 0, 0)a - 5° ≤ ϕ ≤ + 5°
- 20° ≤ ≤ + 30° - coupe (60, 0, 0)a + 55° ≤ ϕ ≤ + 65°
- 30° ≤ ≤ + 20°
- coupe (0, 0, 0)a - 5° ≤ ϕ ≤ + 5°
- coupe (0, 0, 0)b - 5° ≤ ϕ ≤ + 5°
- 10° ≤ ≤ +10°
-5° ≤ ψ ≤ +5° - coupe (60, 0, 0)b + 55° ≤ ϕ ≤ + 65°
- 10° ≤ ≤ +10°
-5° ≤ ψ ≤ +5°
- la figure 1 donne la configuration générale exposée de façon schématique d'un dispositif à ondes d'interface ;
- la figure 2 donne la représentation géométrique de l'angle de coupe définie par les angles ϕ et et la représentation de la direction de propagation dans le repère de l'angle de coupe ;
- les figures 3a et 3b donnent les variations de K2 en fonction de l'angle de coupe et de la direction de propagation pour le Tantalate de Lithium dans les deux configurations suivantes : nul et ϕ nul ;
- les figures 4a et 4b donnent la cartographie des variations du coefficient de couplage K2 et de pertes d'insertion en fonction des variations de et ϕ pour la coupe (0, 0, 0)a à ψ nul ;
- les figures 5a et 5b donnent la cartographie des variations du coefficient de couplage K2 et de pertes d'insertion en fonction des variations de et ϕ pour la coupe (60, 0, 0)a à ψ nul ;
- les figures 6a, 6b et 6c donnent les variations du coefficient de couplage K2 et des pertes d'insertion au voisinage de la coupe (0, 0, 0)a en fonction des variations d'un des trois angles , ϕ et ψ, les deux autres angles étant choisis constants ;
- les figures 7a, 7b et 7c donnent les variations du coefficient de couplage K2 et des pertes d'insertion au voisinage de la coupe (60, 0, 0)a en fonction des variations d'un des trois angles , ϕ et ψ, les deux autres angles étant choisis constants.
- coupe (0, 0, 0)a - 5° ≤ ϕ ≤ + 5°
- 20° ≤ ≤ + 30° - coupe (60, 0, 0)a + 55° ≤ ϕ ≤ + 65°
- 30° ≤ ≤ + 20°
- coupe (0, 0, 0)b - 5° ≤ ϕ ≤ + 5°
- 10° ≤ ≤ + 10°
- 5° ≤ ψ ≤ +5° - coupe (60, 0, 0)b + 55° ≤ ϕ ≤ + 65°
- 10° ≤ ≤ + 10°
-5° ≤ ψ ≤ +5°
Orientation (ϕ, , ψ) | K2 max.en % | Vitesse en ms-1 | Atténuation en dBλ-1 | CFT en ppmC-1 | |
Plage 1 | (0, 0, 0) | 6.8 | 4073 | -3. 10-6 | -22 |
Plage 2 | (60, 0, 0) | 6.7 | 4073 | -3. 10-6 | -41 |
- Réalisation de la zone d'interface sur un des deux substrats. Cette réalisation comportant nécessairement la sous-étape de réalisation des peignes d'électrodes,
- Assemblage et découpage des deux substrats
- Réalisation des interconnexions électroniques.
- Réalisation d'une coupe plane du premier substrat en Tantalate de lithium suivant l'angle de coupe retenu,
- Gravure des emplacements des électrodes,
- Dépôt du matériau destiné à réaliser les électrodes, qui peut être de l'aluminium pur ou un alliage d'aluminium permettant de limiter la thermo-migration comme le cuivre titane.
- Planarisation enfin de façon à ne laisser le matériau qu'aux emplacements de gravure.
- Dépôt sur le substrat plan du matériau destiné à réaliser les électrodes.
- Découpe ensuite de ce matériau pour ne laisser subsister que les électrodes.
- Dépôt d'une couche C intercalaire entre les électrodes,
- Surfaçage de la couche C de façon à obtenir une couche plane de l'épaisseur des électrodes.
- Réalisation de l'interconnexion dans le plan de la zone d'interface.
- Réalisation de l'interconnexion à travers un des deux substrats.
Claims (8)
- Dispositif à ondes acoustiques d'interface comprenant :un premier substrat cristallin (S1) en Tantalate de Lithium (LiTaO3);un second substrat cristallin (S2) également en Tantalate de Lithium ;assemblés par une zone d'interface plane (I) servant à la propagation des ondes acoustiques et comprenant au moins les dispositifs de transduction électroacoustiques ;des moyens d'interconnexion permettant de raccorder électriquement lesdits dispositifs de transduction ;les angles de coupe (ϕ, ) sont compris dans l'une des deux plages angulaires suivantes appelées coupe (0, 0, 0)a et coupe (60, 0, 0)a :coupe (0, 0, 0)a - 5° ≤ ϕ ≤ + 5°
- 20° ≤ ≤ + 30°coupe (60, 0, 0)a + 55° ≤ ϕ ≤ + 65°
- 30° ≤ ≤ + 20° - Dispositif à ondes acoustiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les angles (ϕ, , ψ) pris dans le repère (X", Y", Z") sont compris dans l'une des deux plages angulaires suivantes appelées coupe (0, 0, 0)b et coupe (60, 0, 0)b :coupe (0, 0, 0)b - 5° ≤ ϕ ≤ + 5°
- 10° ≤ ≤ +10°
- 5° ≤ ψ ≤ +5°coupe (60, 0, 0)b + 55° ≤ ϕ ≤ + 65°
- 10° ≤ ≤ + 10°
- 5° ≤ ψ ≤ +5° - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les épaisseurs des deux substrats sont grandes devant la longueur d'onde acoustique d'utilisation (λ) et l'épaisseur de la zone d'interface est faible devant la longueur d'onde acoustique d'utilisation (λ).
- Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la zone d'interface se présente sous la forme d'une structure stratifiée comprenant au moins les dispositifs de transduction électro-acoustiques ainsi qu'une ou plusieurs couches de matériau diélectrique.
- Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la zone d'interface comprend uniquement les dispositifs de transduction électro-acoustiques qui sont alors gravés sur une des deux surfaces des substrats en contact, ladite zone d'interface étant alors réduite à un plan d' interface.
- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif est un composant passif de type résonateur ou filtre ou ligne à retard ou dispositif à code de phase.
- Capteur de mesure composé d'une chaíne de dispositifs caractérisé en ce que ladite chaíne comprend au moins un dispositif selon l'une des revendications précédentes.
- Dispositif fonctionnant suivant le principe des codes de phase et composé d'une chaíne de dispositifs caractérisé en ce que ladite chaíne comprend au moins un dispositif selon l'une des revendications précédentes.
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